高考化學(xué)活化能概念題型的研究

顧仲良

(浙江省海寧市第一中學(xué) 314400)

化學(xué)反應(yīng)的活化能是影響化學(xué)反應(yīng)速率的一個(gè)重要因素，是化學(xué)動(dòng)力學(xué)上的一個(gè)重要概念.教育部制定的《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對(duì)化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率的內(nèi)容要求“知道化學(xué)反應(yīng)是有歷程的，認(rèn)識(shí)基元反應(yīng)活化能對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響”.學(xué)生對(duì)活化能概念的探究，不僅可以很好地突破高中化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，而且也使學(xué)生為更高級(jí)別的大學(xué)學(xué)習(xí)打開(kāi)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).同時(shí)有關(guān)活化能的試題也是頻頻出現(xiàn)在近年各類高考試卷中，示例如下：

考試類別題號(hào)考查內(nèi)容2018年高考化學(xué)全國(guó)卷Ⅰ第28題(3)D選項(xiàng)活化能對(duì)反應(yīng)速率的影響2018年高考化學(xué)全國(guó)卷Ⅱ第27題(2)催化劑影響反應(yīng)的活化能2018年高考北京卷第7題過(guò)渡態(tài)理論2018年高考天津卷第2題C選項(xiàng)活化能影響反應(yīng)進(jìn)行的難易程度2018年浙江省選考11月份卷第30題第(一)組題活化能影響整體反應(yīng)過(guò)程速率2017年浙江省選考11月份卷第30題第Ⅰ小題活化能與能量變化曲線的關(guān)系

縱觀歷年化學(xué)高考，活化能是考查學(xué)生“化學(xué)反應(yīng)速率”這個(gè) “變化觀念與平衡思想”的核心素養(yǎng)的重要入手，所以在平時(shí)的復(fù)習(xí)教學(xué)中，如何幫助學(xué)生明析活化能概念，了解活化能試題的命題方向都是促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展的重要手段.下面就活化能概念的考查內(nèi)容進(jìn)行論述.

一、催化劑通過(guò)改變活化能來(lái)影響化學(xué)反應(yīng)速率

(1)催化劑條件下在某容器中充入反應(yīng)物進(jìn)行此反應(yīng)，下圖曲線A是在催化作用下，反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中甲醇(MeOH)的生成量.請(qǐng)畫出不使用催化劑，在相同體積和材質(zhì)的容器中甲醇的生成曲線.

(2)某小組研究高壓條件下CO與H2的合成所選用的催化劑，但由于缺乏高壓設(shè)備.有小組成員提出可以研究使甲醇在常壓下分解的合適催化劑，同樣可以取得效果，你認(rèn)為這位小組成員的假設(shè)成立嗎？為什么？

二、通過(guò)判斷反應(yīng)活化能的大小來(lái)解釋反應(yīng)速率變化

活化能數(shù)據(jù)是化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)的獲得還是主要依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)得.獲取某一反應(yīng)(基元反應(yīng)和總包反應(yīng))的活化能可以利用對(duì)阿累尼烏斯公式的定積分式或微分式，進(jìn)行不同溫度下反應(yīng)速率之比計(jì)算，或者對(duì)多次不同溫度下測(cè)量反應(yīng)速率常數(shù)作圖計(jì)算斜率獲得.由作圖法可知，其實(shí)活化能與溫度變化會(huì)有細(xì)微的變化，當(dāng)溫差大于500K時(shí)，活化能的變化比較明顯.所以活化能的大小除了與催化劑有關(guān)，還與溫度有關(guān).

除了用實(shí)驗(yàn)方法獲得活化能外，還可以從反應(yīng)物化學(xué)鍵的鍵能大小上來(lái)估算活化能.這種活化能估算的方法是利用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，雖然比較粗糙，但用來(lái)分析反應(yīng)速率的問(wèn)題還是有效的.

例2乙烯在503K溫度下，用銀催化可與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)物中有環(huán)氧乙烷、二氧化碳和水蒸汽.我國(guó)著名化學(xué)家孫承諤教授研究表明，這是并列進(jìn)行的兩個(gè)平行反應(yīng)，不是兩個(gè)連續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)式如下：

通過(guò)文獻(xiàn)梳理發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是狹義上的碳信息披露還是廣義上的企業(yè)社會(huì)責(zé)任信息披露，其對(duì)企業(yè)融資約束的影響都發(fā)揮了積極的作用，但仍存在以下問(wèn)題有待補(bǔ)充和完善：（1）直接研究碳信息披露與企業(yè)融資約束間關(guān)系的文獻(xiàn)較少，僅有的一篇實(shí)證文獻(xiàn)所采用的數(shù)據(jù)也較為陳舊，時(shí)效性方面有所欠缺；（2）已有文獻(xiàn)忽視了企業(yè)生命周期對(duì)碳信息披露與企業(yè)融資約束間關(guān)系的動(dòng)態(tài)影響，引入企業(yè)生命周期理論對(duì)研究樣本進(jìn)行分類檢驗(yàn)尤為必要。

環(huán)氧乙烷

ΔH=-104.8 kJ·mol-1

ΔH=-1321.7 kJ·mol-1

(1)研究表明，在503K溫度下反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)①的速率比反應(yīng)②快將近100倍，請(qǐng)說(shuō)明理由：____.

(2)在下圖畫出反應(yīng)①和反應(yīng)②氧化的反應(yīng)過(guò)程與能量變化示意圖.

三、活化能大小對(duì)反應(yīng)速率的影響隨溫度變化的敏感性

在化學(xué)反應(yīng)中，大多數(shù)的反應(yīng)是溫度升高化學(xué)反應(yīng)速率增大，也有極少的如NO氧化成NO2的反應(yīng)隨溫度升高化學(xué)反應(yīng)速率下降的，也有一些酶催化反應(yīng)會(huì)因溫度升高引起酶的失活而使反應(yīng)速率下降.在上述幾種情況中，第一種是最常見(jiàn)的，所以我們經(jīng)常討論的也是這種情況.這種反應(yīng)的速率與溫度的關(guān)系大致可以按范特霍夫經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，溫度每升高10℃，速率大致增快2～4倍.其實(shí)不同的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，上升同樣的溫度，速率增大的增量并不是完全相同的，這也就是反應(yīng)速率隨溫度變化的敏感程度是不同的.比如兩個(gè)活化能分別為184.1 kJ·mol-1和272.0 kJ·mol-1氣相反應(yīng)，分別在373K和383K的溫度進(jìn)行，根據(jù)阿累尼烏斯經(jīng)驗(yàn)式的定積分的變形計(jì)算可得，當(dāng)溫度升高10K時(shí)，這兩個(gè)反應(yīng)的速率分別增加到了原來(lái)的17.27倍和69.03倍.所以可以得出結(jié)論，化學(xué)反應(yīng)的活化能大，則該反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度變化越敏感.這是因?yàn)樵谝欢囟认拢罨茌^大的反應(yīng)繼續(xù)升高溫度，可以使較多的普通分子轉(zhuǎn)化為活化分子發(fā)生有效碰撞，而活化能較小的反應(yīng)，在一定溫度時(shí)活化分子的百分比已經(jīng)足夠大，溫度升高對(duì)其影響較小.

①C6H5Cl+ Cl2→o-C6H4Cl2(鄰二氯苯)+HClEa1

②C6H5Cl+ Cl2→p-C6H4Cl2(對(duì)二氯苯)+HClEa2

(1)已知在I2作催化劑情況下，兩個(gè)反應(yīng)的活化能Ea1>Ea2，如果某實(shí)驗(yàn)需要以o-C6H4Cl2(鄰二氯苯)為主產(chǎn)物，并抑制副產(chǎn)物p-C6H4Cl2(對(duì)二氯苯)的產(chǎn)生該選擇下列哪個(gè)操作( ).

A.升高一定的溫度 B.降低一定的溫度

C.換一種合適催化劑 D.加入大量對(duì)二氯苯

(2)在反應(yīng)的過(guò)程中，還會(huì)有極少量(大約2%)的m-C6H4Cl2(間二氯苯)產(chǎn)物生成，若生成間二氯苯的反應(yīng)的活化能為Ea3，則Ea3與Ea1的關(guān)系是：____.

高考內(nèi)容是以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的五個(gè)維度出發(fā)，達(dá)成實(shí)際問(wèn)題的具體化和真實(shí)情境的載體化.活化能雖然是化學(xué)反應(yīng)原理研究中有關(guān)化學(xué)反應(yīng)速率問(wèn)題一個(gè)小點(diǎn)，但在日常教學(xué)中要注重活化能概念的內(nèi)涵和外延，注重這個(gè)問(wèn)題研究過(guò)程中對(duì)學(xué)生化學(xué)知識(shí)的儲(chǔ)備、創(chuàng)新思維的培養(yǎng)、核心素養(yǎng)的發(fā)展起的關(guān)鍵作用，充分挖掘涉及到的科學(xué)原理和概念，深入地體會(huì)其中的科學(xué)研究方法和科學(xué)思維路徑，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)的完美落地.